Etudes expérimentales de l'influence de l'aératiοn sur les impacts hydrοdynamiques : deux cοnfiguratiοns idéalisées avec présence de pοches d'air et de bulles

Experimental studies on the influence of aeration on hydrodynamic impacts : two idealized configurations with the presence of air pockets and bubbles

• Auteur / Autrice : Belaid Berkane
• Direction : Grégory Pinon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Méanique des fluides, énergetique, thermique, combustion, acoustique
• Date : Soutenance le 27/05/2024
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire ondes et milieux complexes (Le Havre, Seine-Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement co-accrédité : Université du Havre (1984-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Abadie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégory Pinon, Ludovic Chatellier, Grégory Germain, François-Xavier Demoulin, Gaële Perret
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ludovic Chatellier, Grégory Germain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Aération

Écoulement polyphasique

Hydrodynamique

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Impact fluide-Structure

Slamming

Pression d'impact

Aération

Écoulement diphasique

Fluid-Structure impact

Slamming

Impact pressure

Aeration

Two-Phase flow

Résumé

Les impacts hydrodynamiques entre structures solides et liquides jouent un rôle crucial dans des domaines comme l'ingénierie côtière, l'aéronautique et les énergies renouvelables. Cette thèse se focalise sur l'effet peu exploré de l'aération, où l'air sous forme de bulles ou de poches modifie significativement les forces d'impact et les réponses hydrodynamiques. L'objectif central de cette thèse est d'approfondir notre compréhension des effets de l'aération sur les dynamiques complexes d'impact hydrodynamique. Cette recherche se concentre sur deux configurations expérimentales distinctes : l'impact d'une plaque plane sur une surface d'eau calme et l'impact d'un jet d'eau aéré sur une plaque plane. L'enjeu est d'examiner l'influence de l'aération sur les pressions d'impact et les fréquences d'oscillation post-impact. Pour atteindre ces objectifs, des dispositifs expérimentaux ont été conçus pour chaque cas d'étude. Ces expériences modèles nous offrent la possibilité de contrôler avec précision des paramètres cruciaux tels que la vitesse d'impact, les dimensions de la plaque, la pression ambiante, etc. Parallèlement, une attention particulière a été portée à la mesure des taux d'aération et des pressions d'impact, permettant ainsi une analyse rigoureuse des résultats. Pour l'impact de la plaque, les observations ont montré que les pressions maximales d'impact et les impulsions dévient de la théorie de von Karman, principalement à cause de l'effet amortissant de l'air. La diminution de la pression ambiante augmente les pressions d'impact, suggérant une atténuation de l'effet de coussin d'air. Concernant l'impact d'un jet d'eau aéré, une diversité de régimes d'écoulement, tels que les régimes à bulles, en bouchons, agités, et annulaires a été identifiée. L'interaction entre le nombre d'injecteurs, la pression d'air, et les caractéristiques des bulles illustre une interdépendance significative. Les effets de l'aération sur les pressions d'impact et les fréquences d'oscillation démontrent que des structures plus grandes induisent des oscillations plus lentes et des pressions adimensionnelles augmentées.

Hydrodynamic impacts between solid structures and liquids play a crucial role in various strategic fields such as coastal engineering, aeronautics, and renewable energy. This thesis focuses on the less explored effect of aeration, where the presence of air in the form of bubbles or air pockets significantly alters impact forces and hydrodynamic responses. The central objective of this thesis is to deepen our understanding of aeration's effects on complex hydrodynamic impact dynamics. This research concentrates on two distinct experimental setups: the impact of a flat plate on a calm water surface and the impact of an aerated water jet on a flat plate. The challenge is to examine how aeration influences impact pressures and post-impact oscillation frequencies. To achieve these objectives, experimental setups were designed for each case study. These model experiments allow us to precisely control crucial parameters such as impact velocity, plate dimensions, ambient pressure, etc. Special attention was also given to measuring aeration rates and impact pressures, enabling rigorous analysis of the results. For the plate impact, observations showed that maximum impact pressures and pressure impulses deviate from the von Karman theory, mainly due to the damping effect of air. Reducing ambient pressure increases impact pressures, suggesting a reduction of the air cushion effect. Regarding the impact of an aerated water jet, a diversity of flow regimes, such as bubble, slug, churn, and annular flows, were identified. The interaction between the number of injectors, air pressure, and bubble characteristics demonstrates a significant interdependence. The effects of aeration on impact pressures and oscillation frequencies show that larger structures induce slower oscillations and increased dimensionless pressures.